Morphologie und Verteilung von Kreide und Blättern Der Zeitpunkt der Kreideablagerung im Verhältnis zur Ausscheidung von Blättern ist eine seit langem bestehende Frage in Bezug auf die Bildung von Kreideablagerungen. Bei Muscheln im Allgemeinen ist bekannt, dass die Verlängerung durch die Hinzufügung von neuem Material in Spiralrichtung (d. h. zum Kommissurenrand) erreicht wird und die Verdickung der Schale durch die Hinzufügung von Karbonat an der inneren Schalenoberfläche unter (d. h. innerhalb) des alten Schalenmaterials erfolgt17. Die in den 3D-Rekonstruktionen beobachteten Kreideablagerungen befanden sich im Inneren und ventral der Folia, und die meisten waren innerhalb der Schale durch die umgebenden Folia vollständig versiegelt. Dies gilt sowohl für die Kalkablagerungen, die im Umbo gefunden wurden, als auch für die Kalkablagerungen, die sich direkt unter den Wachstumsunterbrechungen gebildet haben (Abb. 4, 6), obwohl es unklar bleibt, ob die Kalkbildung in den Kammern weitergeht, nachdem sie versiegelt wurden, wie zuvor vermutet wurde23. Obwohl dies nicht üblich ist, wurden bei der Untersuchung von 3D-Rekonstruktionen auch Kalkablagerungen festgestellt, die nicht vollständig in der Schale versiegelt waren. Diese scheinen das Ergebnis einer kleinen Menge Kreide zu sein, die sich an der Kommissur auf der Folia absetzte und nicht vollständig versiegelt wurde, als die nächste Folia-Schicht abgelagert wurde, so dass ein kleiner Kreidekeil an der Außenseite der Schale frei lag (Abb. 5C). Die Lage der Folia außerhalb der Kreide deutet darauf hin, dass die Folia und nicht die Kreide als äußerste Schalenschicht unter dem Periostracum abgelagert wird und somit die Schale strukturell stützt, wie in früheren Arbeiten festgestellt wurde29. Darüber hinaus entstehen durch die Ablagerung von Folia äußere Merkmale wie Rippen, Wachstumsunterbrechungen und andere Änderungen der Wachstumsrichtung, wodurch Vertiefungen auf der inneren Schalenoberfläche entstehen, die anschließend mit Kreide gefüllt werden. Das Muster der Kreidebildung unterhalb von Wachstumsunterbrechungen und anderen äußeren Merkmalen bestätigt frühere Beobachtungen, dass Kreide Vertiefungen auf der inneren Oberfläche von Muscheln füllt18,20,24,26,27,30,31, liefert aber auch einen Kontext dafür, wie sich diese Vertiefungen bilden.
Für Austern stellen Wachstumsunterbrechungen eine signifikante Änderung der Wachstumsrichtung dar und sind im Zusammenhang mit der Kreidebildung wichtig, da diese Merkmale oft mit Kreideablagerungen verbunden sind. Daher kann ein umfassenderes Verständnis der Entstehung von Wachstumsunterbrechungen dazu beitragen, die Funktion und den Zeitpunkt des Kreidewachstums zu klären. Ausgehend von den Beobachtungen über die Beziehung zwischen Kreide und Folia gibt es drei mögliche Modelle für die Schalenbildung an Wachstumsbrüchen, die alle unterschiedliche Auswirkungen auf die Funktion der Kreide in Austernschalen und auch auf das Verhalten des Mantels während der Schalenbildung im Allgemeinen haben (Abb. 8).
Modell 1 Zunächst legt der Mantel das Periostracum (die äußerste organische Schicht der Schale) ab, worauf sich eine dünne Schicht Folia direkt darunter zum Schaleninneren hin ablagert. Anschließend trennt sich der Mantel von der zuvor gebildeten Schale und beginnt, ohne sich wesentlich zurückzuziehen, eine Schicht aus Periostracum und Folia in einem schrägen Winkel zur vorherigen Wachstumsebene zu bilden, wodurch eine Wachstumsunterbrechung entsteht. Durch diese neue Geometrie entsteht eine Vertiefung auf der inneren Schalenoberfläche, direkt unter der Stelle, an der die zweite Schicht Periostracum und Folia von der ersten abzweigte. Diese Vertiefung wird anschließend mit Kreide aufgefüllt. Wenn die Auster sich weiter verdickt und ihre Schale nach außen ausdehnt, wird diese Kalkablagerung unterhalb der Wachstumsfuge innerhalb der Schale mit einer neuen Schicht von Folia versiegelt. Bei Modell 1 wird die Wachstumspause dadurch verursacht, dass sich der Mantel von der anfänglichen Periostrakumschicht ablöst, was durch einen Bruch des Periostrakums an der Kommissur oder eine andere Unterbrechung verursacht werden kann (Abb. 8: Reihe 1).
Modell 2 Zunächst legt der Mantel das Periostrakum ab, woraufhin sich direkt unter der äußeren organischen Schicht eine dünne Schicht von Folia ablagert. Anschließend löst sich der Mantel von der sich gerade bildenden Periostrakumschicht und zieht sich bis zu einem Punkt entlang der zuvor gebildeten Schale zurück. Dann beginnt der Mantel, eine neue Schicht aus Periostracum und Folia zu bilden, und zwar von der vorherigen Schicht aus nach innen, in einem Winkel, der schräg zur vorherigen Wachstumsebene verläuft. Durch diese neue Geometrie entsteht auf der inneren Schalenoberfläche eine Vertiefung, direkt im Inneren der Stelle, an der die zweite Schicht aus Periostracum und Folia von der ersten abzweigte. Diese Vertiefung wird anschließend mit Kreide aufgefüllt. Wenn die Auster sich weiter verdickt und ihre Schale nach außen ausdehnt, wird diese Kalkablagerung unterhalb der Wachstumsfuge durch eine neue Schicht von Folia innerhalb der Schale versiegelt. In Modell 2 wird der Wachstumsbruch auch dadurch verursacht, dass sich der Mantel von der anfänglichen Schicht des Periostrakums löst, was durch einen Bruch des Periostrakums an der Kommissur oder eine andere umweltbedingte Unterbrechung verursacht werden kann. Dieses Szenario unterscheidet sich von Modell 1 durch das Verhalten des Mantels. In Modell 2 zieht sich der Mantel zurück und baut von der vorherigen Wachstumsebene aus neues Schalenmaterial nach innen auf. Im Gegensatz dazu zieht sich der Mantel bei Modell 1 nicht zurück, sondern bewegt sich in Richtung des Innenraums zwischen den Klappen und scheidet die nächste Schicht aus, während er sich weiter ausdehnt (Abb. 8: Reihe 2).
Modell 3 Zunächst legt der Mantel das Periostracum ab, woraufhin sich direkt unter der äußeren organischen Schicht eine dünne Schicht von Folia ablagert. Anschließend scheidet der Mantel einen kleinen Kreidehügel aus, der bis zum äußersten Rand der zuvor gewachsenen Schale reicht. Der Mantel löst sich von der sich gerade bildenden Periostracumschicht und zieht sich bis zu einem Punkt entlang der zuvor gebildeten Schale zurück. Dann wird eine neue Schicht aus Periostracum und Folia im Inneren des ursprünglichen Kreidehügels abgeschieden und erstreckt sich über diese Kreideablagerung hinaus, so dass die Kreide an der Außenseite der Schale frei liegt. Durch diese neue Wachstumsunterbrechung entsteht auch eine Vertiefung auf der inneren Schalenoberfläche, direkt unter dem Punkt, an dem sich die erste Folia, das obere Ende des Kreidewalls und die zweite Schicht aus Folia und Periostracum überschneiden. Dieser Raum wird anschließend mit Kreide aufgefüllt, und während die Auster ihre Schale weiter verdickt und nach außen ausdehnt, wird die Kreideablagerung unterhalb der Wachstumsfuge in der Schale versiegelt. In diesem Fall wird die Bildung der Wachstumsfuge nicht durch die Abtrennung des Mantels von der ersten Schicht des Periostrakums verursacht. Stattdessen ist die Änderung der Wachstumsrichtung eine Folge der Bildung des Kreidehügels, der das neue Wachstum in einem Winkel schräg zur vorherigen Wachstumsebene ausrichtet. Bei den in dieser Studie beobachteten Muscheln sind die Wachstumsunterbrechungen nicht mit Kreideablagerungen (d. h. dem hier beschriebenen anfänglichen Kreidehügel) verbunden, die wie in Modell 3 zur Außenseite der Muschel hin exponiert sind. Daher können wir Modell 3 als Erklärung für die Wachstumsbrüche und die Änderung der Wachstumsrichtung der Schale unmittelbar nach einem Wachstumsbruch ausschließen (Abb. 8: Reihe 3).
Die Modelle 1 und 2 sind allein anhand der Schalenmorphologie schwieriger zu unterscheiden, da sie, wie beschrieben, zu den gleichen oder sehr ähnlichen Merkmalen führen, und die Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Modellen betreffen das Verhalten des Mantels während der Wachstumsbruchbildung. Es gibt jedoch noch weitere Anhaltspunkte, die Aufschluss darüber geben, welches Modell die beobachteten Schalenmerkmale mit größerer Wahrscheinlichkeit hervorbringt. Bei Modell 1 zieht sich der Mantel nicht zurück, sondern bewegt sich von der vorherigen Wachstumsebene weg, indem er sich von der alten Schale wegdreht. Daher sollte die neue Schicht aus Periostracum und Folia die gleiche Länge haben wie die ursprünglichen Schichten, da der Mantel vollständig gestreckt geblieben ist. Zieht sich der Mantel dagegen zurück (Modell 2) und bildet die zweite Periostrakumschicht aus dem alten Schalenmaterial heraus, sind die neueren Schichten kürzer (d. h. sie enden näher am Umbo als die erste Schicht der Folia), bis genügend Wachstum stattgefunden hat, um die neuen Folia über das alte Schalenmaterial hinaus zu verlängern. Dieses zweite Muster wurde im Querschnitt in Abb. 1D beobachtet. Daher ist Modell 2, das ein Zurückziehen des Mantels einschließt, die wahrscheinlichste Darstellung dessen, wie sich Wachstumspausen bilden und wie sich der Mantel in diesem Zusammenhang verhält. Darüber hinaus stimmt Modell 2 gut mit früheren Arbeiten überein, bei denen direkt beobachtet wurde, dass sich der Mantel der Auster während der Schalenbildung und Zementierung zusammenzieht32. Bei einem Experiment, bei dem der Schalenrand der linken Klappe einer Auster entfernt wurde, begann der Mantel anschließend, dorsal der Kommissur eine neue Schicht Periostracum auf altem Schalenmaterial zu bilden (32, Abb. 7B). Dies zeigt, dass sich der Mantel zurückzieht, um neues Periostracum und eine neue Schale aus altem Schalenmaterial zu bilden, was dem Modell 2 entspricht. Weitere Beobachtungen, wie die von Yamaguchi32, in Verbindung mit sorgfältigen Messungen, um festzustellen, wie weit sich der Mantel während der Bildung von Wachstumsbrüchen zurückzieht, würden endgültige Beweise zur Unterstützung von Modell 1 oder Modell 2 liefern.
Kalkablagerungen und Zementierung Kalkablagerungen wurden in großem Umfang an Stellen beobachtet, an denen sich die Schalen wieder an ein Substrat anlagerten, z. B. an Stellen, an denen Austern an andere Individuen oder an Käfignetzmaterial zementierten (Abb. 2L, 7). Bei Austern, die sich an das Käfigmaterial anlagerten, war das Periostracum die äußerste Schicht, was darauf hindeutet, dass es zuerst abgelegt wurde, um sich der unregelmäßigen Oberfläche anzupassen. Ähnliche Beobachtungen wurden auch von Yamaguchi32 gemacht, der ebenfalls vorschlug, dass der Mantel aktiv an der Zementierung der Schale beteiligt ist, indem er das neu gebildete Periostracum in das Substrat drückt und so die Befestigung fördert. Kreideablagerungen sind also zumindest insofern an der Zementierung beteiligt, als Kreide es der Auster ermöglicht, sich an ein unebenes Substrat anzupassen und gleichzeitig einen günstigen Innenraum aufrechtzuerhalten.
Interessanterweise stellte Harper33 das Vorhandensein einer Kreideablagerung außerhalb einer M. gigas-Schale fest, und zwar zwischen dem Periostracum und dem Substrat. Wenn das Vorhandensein von Kreide zwischen der Schale und dem Substrat ein häufiges Vorkommen ist, würde dies darauf hindeuten, dass Kreide eine zentralere Rolle bei der Zementierung spielt als nur die Fähigkeit, sich an ein unebenes Substrat anzupassen. In der vorliegenden Studie wurden drei Austernpaare, die sich aneinander rezementiert hatten, geschnitten und auf diese Kreideablagerungen außerhalb der Periostraca untersucht (Abb. 3). Es wurden jedoch keine gefunden. Obwohl dies ein Hinweis darauf sein könnte, dass eine größere Stichprobe erforderlich ist, um dieses Phänomen zu untersuchen, gehen wir davon aus, dass äußere Kreideablagerungen, wie die von Harper33 gefundenen, eine Ausnahme darstellen. Dies deutet darauf hin, dass Kreide im Allgemeinen nicht direkt zur Befestigung von Austern verwendet wird. Aber wie wurde die von Harper33 beobachtete Kreide zwischen dem Periostracum und dem Substrat abgelagert?
Während der Mantel, der das Periostracum an das Substrat presst, eine Komponente des Zementierungsprozesses von M. gigas32 sein kann, spielt ein vom Mantel erzeugter organisch-anorganischer Klebstoff eine zentrale Rolle bei der Befestigung der Austern am Substrat. Harper33 stellte die Hypothese auf, dass der organische Anteil des Zements in der Lage ist, sich durch das durchlässige Periostracum zu bewegen, um den Raum zwischen dieser Schicht und dem Substrat auszufüllen und so die Auster zu befestigen. Es gibt weitere Hinweise darauf, dass die vom Mantel abgesonderten organischen Stoffe eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der Kristallmorphologie in Molluskenschalen spielen34,35,36,37,38,39. Wenn also die vom Mantel abgesonderten organischen Vorläufer von kalkhaltigem Kalzit versehentlich durch das poröse Periostracum ausgetreten sind, könnte dies das Vorhandensein von Kreide in einem Raum erklären, der normalerweise von Zement eingenommen wird33. Dies bleibt zwar eine spekulative Hypothese, aber zusätzliche Arbeiten zur Charakterisierung der organischen Bestandteile der Schalenschichten und zur Untersuchung der Fähigkeit dieser organischen Stoffe, sich durch das Periostracum zu mobilisieren, würden dazu beitragen, diese Fragen zu klären.
Funktionelle Ökologie der Kreide Die hier vorgestellten Daten weisen darauf hin, dass Kreide bei M. gigas mit morphologischer Variabilität einhergeht und für die Zementierung nützlich ist, da sie es dem Tier ermöglicht, sich an ein unregelmäßiges Substrat anzupassen und gleichzeitig einen günstigen Innenraum zu erhalten. Obwohl viele andere Muscheln in der Lage sind, eine zementierende Lebensweise ohne die Verwendung von Kreide zu erreichen, führt die hohe Porosität von Kreide zu einer Schalenstruktur, die viel weniger dicht ist als die umgebende Folia19,40. Darüber hinaus ist die Kreidebildung mit schnellen Wachstumsraten und sehr großen, dicken Schalen verbunden10,23. Dies deutet darauf hin, dass Kreide nicht nur für die Zementierung und die Anpassung an die morphologische Plastizität nützlich ist, sondern auch ein schnelles Schalenwachstum ermöglicht, indem sie während des Schalenaufbaus als relativ billiges Baumaterial dient. Zukünftige Arbeiten, die die Stärke oder Dauerhaftigkeit der Zementierung in Austern, die Kreide produzieren, mit Austern und anderen zementierenden Muscheln, die dies nicht tun (z. B. Chamiden), vergleichen, würden zusätzliche Erkenntnisse über die Kompromisse liefern, die mit der Verwendung dieses Materials zur Unterstützung der Zementierung verbunden sind. Auch wenn neuere Arbeiten darauf hindeuten, dass Folia und Kreide gleichzeitig ausgefällt werden20,41 , bleiben offene Fragen bezüglich des Zeitpunkts der Ablagerung von Folia und Kreide in der Schale. Zusätzliche Experimente, bei denen sowohl Markierungstechniken (z. B. Calcein) als auch die Geochemie stabiler Isotope zum Einsatz kommen, würden dazu beitragen, die zeitliche Beziehung zwischen Kreide und Folia zu bestimmen, insbesondere in Bezug auf die Bildung von Wachstumsbrüchen und anderen hier diskutierten Merkmalen.